Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул - Кейт Бибердорф

И даже если бы мы могли видеть атомы невооруженным глазом, то видели бы скопления атомов, а не отдельные частицы. Все потому, что атомы и молекулы любят группироваться, прямо как школьники на вечеринке. Например, когда мы смотрим на уголь для гриля, мы смотрим на группу атомов углерода. А когда группы атомов углерода и кислорода решают объединиться в молекулу углекислого газа, мы видим твердый сухой лед.

В этих двух примерах атомы угля и молекулы сухого льда сгруппированы вместе, и между молекулами и атомами практически нет свободного пространства. Так вот, это расстояние (насколько оно велико) и является определяющим фактором того, что ученые называют фазовым состоянием.

В химии выделяют три фазы: твердая, жидкая и газообразная. (Существуют и другие, например, коллоиды и плазма, однако я расскажу только о фазах, с которыми мы сталкиваемся чаще всего.) Самый простой способ определить, является вещество твердым, жидким или газообразным, – уронить его и посмотреть, что случится. Например, упавший бокал для шампанского разобьется на осколки, которые разлетятся по всей комнате. Это из-за того, что стекло было в твердом состоянии. Не важно, стекло разбито или нет: осколки остаются осколками. Стекло не превратилось в лужу (как жидкость) и не поднялось в воздух (как газ).

Существуют также промежуточные состояния вещества, которые нельзя отнести к определенной фазе. Да, стекло – это твердое тело. Но если говорить точнее, то стекло – это аморфное твердое тело. То есть оно имеет физические свойства твердых и жидких тел. Однако в данном случае мы будем считать, что стекло – это обычное твердое тело.

Когда ученые рассматривают бокал для шампанского под микроскопом, они видят, что атомы бокала располагаются вплотную друг к другу: они даже не могут двигаться. Им трудно поменять свое местоположение. Молекулы в твердом теле напоминают мне о временах, когда моя маленькая племянница засыпала у меня на руках. Не важно, что происходило вокруг: я не могла пошевелиться, потому что боялась ее разбудить. Молекулы в твердом состоянии ведут себя так же.

На микроскопическом уровне атомы в твердой фазе очень похожи на атомы в жидкой фазе, но есть одно существенное отличие – расстояние между атомами. В жидкостях атомы располагаются на приличном друг от друга расстоянии, благодаря чему могут свободно двигаться, а жидкость – принимать различные формы (например, форму сосуда, в котором она находится). Мы видим это каждый раз, когда падает бокал шампанского: стекло, ударившись о кафельный пол, разбивается на множество мелких осколков, а шампанское течет по плитке, пока не достигнет ее края или шва.

В химии мы обсуждаем форму и объем твердых и жидких тел. Жидкости легко изменяют свою форму, но имеют постоянный объем. У твердых тел объем и форма постоянны. В примере с шампанским напиток принимает форму бокала до тех пор, пока тот не разбивается. Как и любая жидкость, шампанское не имеет постоянной формы.

Давайте рассмотрим пару примеров. Вы кладете твердое тело, например картофель, на дно контейнера. Картофелина остается на том же месте, где вы ее оставили, верно? И если вы переложите ее в кастрюлю, то в обычных условиях картофелина не изменит своей формы. Однако если вы добавите жидкость, к примеру воду, то она растечется по всей кастрюле, равномерно покрывая ее дно.

Представьте себе школьников на танцах. Молекулы в жидкостях медленно танцуют, в то время как молекулы в твердых телах упрямо стоят по углам. Молекулы в жидкостях постоянно двигаются и машут руками в разные стороны, а молекулы в твердых телах стоят как столбы. Жидкость заполняет весь контейнер, а твердые тела сохраняют постоянную форму, потому что их молекулы не танцуют. По правде говоря, молекулы в твердых телах вообще не двигаются.

Большинство жидкостей на нашей планете состоят из молекул. Исключение составляют две: при комнатной температуре бром и ртуть состоят только из атомов. Все остальные жидкости имеют хотя бы одну молекулу. (Например, вода без примесей состоит из молекул Н2О, а не из атомов водорода и кислорода; при этом ртуть в жидком состоянии состоит из атомов Hg.)

Разница между жидкостью и газом точно такая же, как и разница между жидкостью и твердым телом, – все дело в расстоянии между атомами! Давайте снова обратимся к примеру со школьниками на танцах.

Если твердые тела стоят на месте, а жидкости танцуют медленный танец, то газы танцуют квикстеп. Молекулы движутся на пределе своих возможностей, стараясь «захватить» всю танцплощадку. В отличие от жидкостей и твердых тел, газы не имеют постоянной формы или постоянного объема. Они стремятся заполнить контейнер целиком. Следовательно, если жидкость закрывает дно колбы, то газ пытается быть везде и сразу.

Я уверена, что вы уже знакомы с распространенными газами: кислородом, азотом и гелием. Они постоянно пребывают в движении (даже сейчас, даже внутри вашего дома), так как наша атмосфера состоит из газов. И хотя мы не можем увидеть кислород, почувствовать азот или попробовать на вкус углекислый газ, мы бы не смогли жить без них. Вот почему космонавты носят скафандры: на Луне и в открытом космосе этих газов нет. Именно поэтому аквалангисты таскают на спинах тяжелые кислородные баллоны. Человек может прожить без кислорода около трех минут, после чего наступает смерть (что, я уверена, вы и так знали).

Но здесь, на Земле, вокруг нас летают миллиарды молекул. Бо́льшую часть из них составляют азот (78 %) и кислород (21 %). Значительный 1 % занимает аргон. Кроме того, в нашей атмосфере есть незначительное количество других газов (например, углекислый), а также загрязняющих примесей (например, угарный газ). Когда вы делаете глубокий вдох, то поглощаете смесь газов. Молекулы проходят через нос в легкие и остаются там, пока 4 % кислорода не превратятся в углекислый газ. При выдохе вы выделяете молекулы азота и аргона, примерно 17 % кислорода и 4 % углекислого газа. Существует распространенное заблуждение, что мы выдыхаем 100 % углекислого газа – как вы уже поняли, это неправда.

Выдыхаемый нами аргон – газ весьма стабильный. Ученые используют его каждый раз, когда им нужна инертная среда для проведения реакций. Когда я училась в аспирантуре, то закачивала аргон в колбы с опасными реакциями: отличный способ убедиться в том, что они не взорвутся. Аргон снижал вероятность взрыва до минимума, но должна признать, что такие эксперименты все равно напрягают – в любой момент что-то может взорваться.

Аргон – элемент с атомным номером 18. Как вы уже догадались, это означает, что у него есть 18 протонов и 18 электронов. Несмотря на то, что аргон небольшого